2.3 GASEIFICAÇÃO DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS E QUEIMA DO GÁS EM
2.3.1 Gaseificação do combustível sólido
A tecnologia de gaseificação tem sido largamente aplicada para produzir químicos e combustíveis. A tendência na indústria tem sido de um crescimento no emprego desse processo para obtenção do gás de síntese (syngas) por dois motivos principais: (LOPES, OKAMURA E YAMAMOTO, 2015, p. 88)
A gaseificação fornece um gás de alta qualidade (com poder energético e não poluente);
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De fato, Lopes (2014, p. 34) mostra que além de se utilizar o gás de síntese como combustível para caldeiras, existem várias outras aplicações para esse gás conforme Figura 8.
Figura 8 – Usos para o gás de síntese
Fonte: LOPES (2014)
Portanto, uma alternativa a queima de combustível sólido diretamente na fornalha da caldeira, é gaseifica-lo e queimar apenas o gás gerado do processo de gaseificação em uma caldeira aquatubular.
A gaseificação é o processo de conversão da matéria orgânica em gás combustível através de combustão parcial, com uma quantidade de ar menor que a estequiométrica (falta oxigênio se comparada a relação molar da reação química de oxidação), geralmente na presença de vapor, para fornecer energia para conversão térmica da biomassa em gases e vapores orgânicos, para posterior produção de energia. Estes gases podem movimentar turbinas a gás ou fornecer energia para caldeiras (MACEDO, 2006, p. 51).
A gaseificação envolve uma reação química endotérmica (absorve energia) que demanda calor e gera monóxido de carbono (CO), hidrogênio (H2) e outros compostos. Dependendo do projeto e das condições de operação, o processo também pode gerar metanos e hidrocarbonetos (LOPES, 2014, p. 34).
Assim, a produção de energia envolve a conversão da biomassa em uma atmosfera de vapor ou ar, ou ambos, para produzir um gás de baixo ou médio poder calorífico. Se ar estiver presente, as condições serão menores que as condições
estequiométricas. O gaseificador pode ser classificado de acordo com três condições básicas: o tipo de atmosfera de gaseificação, a pressão interna do gaseificador e o tipo de reator (MACEDO, 2006, p. 51).
Simplificadamente Godinho (2006, p.6) representa a reação de gaseificação: Combustível + agente de gaseificação (isento ou com limitação de oxigênio) → gás combustível + alcatrão + carvão ou char
Ryckmans e Spiegel (2002) comentam que a gasificação e a queima desses gases gerados (syngas) é também conhecida como co-gaseificação e é uma tecnologia relevante que resulta em alta eficiência do ciclo de vapor devido a qualidade do gás de síntese). O reator de gaseificação opera geralmente entre 800 e 1000 oC dependendo da carga e da composição do combustível.
A circulação do material inerte do leito serve como um “carregador” de calor que estabiliza a temperatura do processo. Lopes (2014, p. 41) em seu trabalho ainda recomenda uma pressão de operação para o reator de 105 a 33.105 Pa.
O sistema consiste em um reator (gaseificador) onde a gaseificação ocorre, um ciclone para separação do material do leito do syngas e um duto para levar de volta o material circulante para a parte inferior do gaseificador. Esse sistema pode ser visto na Figura 9 (RICKMANS e SPIEGEL, 2002):
Figura 9–Figura em corte de um gaseificador
Fonte: RICKMANS e SPIEGEL (2002)
Lopes (2014, p. 41) classifica os gaseificadores de acordo com os seguintes critérios:
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a. Poder calorífico do gás produzido (baixo – até 5MJ/Nm3; médio – de 5 a 10
MJ/Nm3 ou alto – 10 a 40 MJ/Nm3);
b. Tipo de agente gaseificador (ar; vapor; oxigênio ou hidrogênio)
c. Direção do movimento do material a ser gaseificado e do agente de gaseificação (contracorrente; concorrente; fluxo cruzado ou leito fluidizado). d. Pressão de operação (pressão atmosférica ou pressurizado – até 6 MP); e. Tipo de material de alimentação (resíduos industriais, resíduos sólidos
urbanos, biomassa, etc.)
De acordo com Ryckmans e Spiegel (2002), o gás proveniente da gaseificação precisa ser resfriado até cerca de 750 oC para entrada na caldeira. Para os autores, nos últimos anos devido ao avanço das tecnologias, os combustíveis não precisam ser secos para esse tipo de aplicação, podendo ser utilizados combustíveis com até 60% de umidade. Para um conceito como esse, essa condição é suficiente pois evita que o reator opere a temperaturas mais elevadas que requeiram resfriadores adicionais de gases ou processos de limpeza do syngas. Esta é uma vantagem da queima do syngas na caldeira ao invés de utilizá-lo diretamente em turbinas como se pode verificar na Figura 10:
Figura 10–Comparação entre queima do gás de gaseificação em caldeiras vs turbinas
Fonte: RICKMANS e SPIEGEL (2002)
De acordo com Santos, Gulyurtlu e Cabrita (2010, p. 83), as principais vantagens da gaseificação são as seguintes:
Permanência das cinzas e do carbono residual no gaseificador diminuindo a emissão de partículas;
Obtenção de combustível resultante limpo.
A Figura 11 mostra uma planta integrada de gaseificação com caldeira em operação na Finlândia.
Figura 11–Planta de gaseificação de resíduos em Lahti - Finlândia
Fonte: VALMET (2017)
Rosa, Chernicharo e Melo (2014, p. 60) compararam as vantagens e desvantagens do processo de gaseificação com a combustão direta do combustível em uma caldeira. Esse estudo foi realizado com lodo de efluentes e suas conclusões podem ser adaptadas para a queima de resíduos sólidos urbanos. A Tabela 3 apresenta uma síntese do estudo desenvolvido pelos referidos autores:
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Tabela 3 – Comparação qualitativa entre queima de lodo por diversas tecnologias
Item Combustão Gaseificação Tecnologia
Custo de instalação (US$/kg) Menor Maior
Custo de operação/manutenção (US$/kg) Menor Maior
Energia gerada (MJ/kg) Maior Menor
Potencial de geração de subprodutos sólidos Maior Menor Potencial de geração de subprodutos líquidos Menor Maior Potencial de geração de subprodutos gasosos Menor Maior Exigências na preparação da matéria-prima para
aplicação ao processo térmico Menor Maior
Simplicidade operacional Maior Menor
Nível de desenvolvimento das pesquisas aplicadas Maior Menor Potencial de emissões atmosféricas (dioxinas, furanos,
SOx, NOx e metais pesados) Maior Menor
Fonte: Adaptado de ROSA, CHERNICHARO E MELO (2014)
A partir da Tabela 3, pode-se constatar que a combustão direta é mais atrativa no quesito custo de instalação, energia gerada em forma de calor e na não necessidade de preparação da matéria-prima. Essa análise do custo fica válida mesmo com os autores não informando qual o destino do gás de síntese, pois se a gaseificação por si só já apresenta um custo mais elevado se comparado com a combustão direta, adicionar a caldeira para queima do gás de síntese gerado elevaria ainda mais os custos.
Quando se olha para o lado das emissões, a gaseificação leva clara vantagem (menor geração de resíduos perigosos, menos emissão de dioxinas e furanos e menor emissão esperada de metais pesados).
Essa questão das vantagens da tecnologia de gaseificação frente a combustão direta também é explorada no trabalho de Lopes, como resumido na Figura 12: (LOPES, p. 50, 2014)
Isso pode ser visto da seguinte forma: a parte gasosa do combustível analisado tem dois destinos: síntese de novos compostos ou queima na presença de oxigênio. Já a parte sólida rica em carbono, objeto de estudo mais detalhado nesse trabalho, pode sofrer o processo de combustão, que tem como produto gases como CO2, água, HCl, NOx, SOX e H2S, ou pode passar pelo processo de gaseificação
gerando o gás de síntese composto por CO e H2 para posteriormente efetuar a combustão apenas desse gás que liberará como emissão CO2 e água.
Figura 12 – Diagrama simplificado de formação de poluentes a partir da combustão de resíduos sólidos
Fonte: LOPES (2014)